核反應方程：U+n=Nd+Zr+3n+8e。核反應是指原子核與原子核，或者原子核與各種粒子（如質子，中子，光子或高能電子）之間的相互作用引起的各種變化。在核反應的過程中，會產生不同于入射彈核和靶核的新的原子核。因此，核反應是生成各種不穩定原子核的根本途徑。
原子核（atomicnucleus）簡稱“核”。位于原子的核心部分，由質子和中子兩種微粒構成。而質子又是由兩個上夸克和一個下夸克組成，中子又是由兩個下夸克和一個上夸克組成。
15.3 核反應 核能 質能方程一、考點聚焦核能．質量虧損培州．愛因斯坦的質能方程 Ⅱ要求核反應堆．核電站 Ⅰ要求重核的裂變．鏈式反應．輕核的聚變 Ⅰ要求可控熱核反應． Ⅰ要求二、知識掃描1、 核反應在核物理學中,原子核在其它粒子的轟擊下產生新原子核的過程,稱為核反應．典型的原子核人工轉變 N+ He O+ H 質子 H的發現方程 盧瑟福 Be+ He C+ n 中子 n的發現方程 查德威克2、 核能（1）核反應中放出的能量稱為核能（2）質量虧損：原子核的質量小于組成它的核子質量之和．質量虧損．（3）質能方程： 質能關系為E＝mc2 原子核的結合能ΔE=Δmc23、 裂變把重核分裂成質量較小的核,釋放出的核能的反應,叫裂變典型的裂變反應是： U+ n Sr+ Xe+10 n4．輕核的聚變把輕核結合成質量較大的核,釋放出的核能的反應叫輕核的聚變．聚變反應釋放能量較多,典型的輕核聚慧亮變為： H+ H He+ n5．鏈式反應 一個重核吸收一個中子后發生裂變時,分裂成兩個中等質量核,同時釋放若干個中子,如果這些中子再引起其它重核的裂變,就可以使這種裂變反應不斷的進行下去,這種反應叫重核裂變的鏈式反應三、好題精析例1．雷蒙德·戴維斯因研究來自太陽的電子中微子（v.）而獲得了2002年度諾貝爾物理學獎．他探測中微子所用的探測器的主體是一個貯滿615t四氯乙烯（C2Cl4）溶液的巨桶．電子中微子可以將一個氯核轉變為一個氫核,其核反應方程式為
νe＋3717Cl→3718Ar十 0－1e
已知3717Cl核的質量為36.95658 u,3718Ar核的質量為36.95691 u, 0－1e的質量為0.00055 u,1 u質量對應的能量為931.5MeV.根據以上數據,可以判斷參與上述反應的電子中微子的最小能量為
（A）0.82 Me V （B）0.31 MeV （C）1.33 MeV （D）0.51 MeV[解析] 由題意可得：電子中微子的能量E =mc2-（mAr+me-mCl）·931.5MeV=(36.95691+0.00055-36.95658)×931.5MeV=0.82MeV則電子中微子的最小能量為 Emin=0.82MeV [點評] 應用愛因斯坦質能方程時,注意單位的使用.當 用kg單位,c用m/s時, 單位是J,也可像本題利用1 u質量對應的能量為931.5MeV.
例2、質子、中子和氘核的質量分別為m1、m2、m3,質子和中子結合成氘核時,發出γ射線,已知普朗克恒量為h,真空中光速為c,則γ射線的頻率υ＝ ______ ．[解析] 核反應中釋放的能量ΔE＝Δmc2以釋放前中寬光子的形式釋放出來,由于光子的能量為hυ,依能量守恒定律可知：hυ=Δmc2據此便可求出光子的頻率. 質子和中子結合成氘核： H+ n H+γ這個核反應的質量虧損為： Δm＝m1＋m2－m3根據愛因斯坦質能方程 ΔE＝Δmc2 此核反應放出的能量 ΔE＝（m1＋m2－m）c2 以γ射線形式放出,由E＝hυ υ= [點評] 此題考查計算質量虧損,根據愛因斯坦質能方程確定核能．關鍵是對質量虧損的理解和確定．例3、如圖所示,有界勻強磁場的磁感應強度為B,區域足夠大,方向垂直于紙面向里,直角坐標系xoy的y軸為磁場的左邊界,A為固定在x軸上的一個放射源,內裝鐳核（ ）沿著與+x成 角方向釋放一個 粒子后衰變成氡核（ ）. 粒子在y軸上的N點沿 方向飛離磁場,N點到O點的距離為l,已知OA間距離為 , 粒子質量為m,電荷量為q,氡核的質量為 .（1）寫出鐳核的衰變方程；（2）如果鐳核衰變時釋放的能量全部變為 粒子和氡核的動能求一個原來靜止的鐳核衰變時放出的能量.[解析]（1）鐳核衰變方程為： （2）鐳核衰變放出 粒子和氡核,分別在磁場中做勻速圓周運動, 粒子射出 軸時被粒子接收器接收,設 粒子在磁場中的軌道半徑為R,其圓心位置如圖中 點,有,則 ①粒子在磁場中做勻速圓周運動,有 ,即 ,②粒子的動能為 ∴ 衰變過程中動量守恒 ,④則氡核反沖的動能為 ⑤∴ ⑥[點評] 要熟練掌握核反應方程,動量守恒定律,帶電粒子在勻強磁場中的圓周運動規律的綜合運用.例4. 核聚變能是一種具有經濟性能優越、安全可靠、無環境污染等優勢的新能源.近年來,受控核聚變的科學可行性已得到驗證,目前正在突破關鍵技術,最終將建成商用核聚變電站.一種常見的核聚變反應是由氫的同位素氘（又叫重氫）和氚（又叫超重氫）聚合成氦,并釋放一個中子了.若已知氘原子的質量為2.0141u,氚原子的質量為3.0160u,氦原子的質量為4.0026u,中子的質量為1.0087u,1u=1.66×10-27kg.⑴寫出氘和氚聚合的反應方程.⑵試計算這個核反應釋放出來的能量.⑶若建一座功率為3.0×105kW的核聚變電站,假設聚變所產生的能量有一半變成了電能,每年要消耗多少氘的質量?（一年按3.2×107s計算,光速c=3.00×108m/s,結果取二位有效數字）[解析] （1） （2）ΔE=Δmc2=（2．0141+3．0160-4．0026-1．0087）×1．66×10-27×32×1016J=2.8×10-12J （3）M= = =23kg[點評]例 5．眾所周知,地球圍繞著太陽做橢圓運動,陽光普照大地,萬物生長．根據學過的知識試論述說明隨著歲月的流逝,地球公轉的周期,日、地的平均距離及地球表面的溫度的變化趨勢．[解析] 太陽內部進行著劇烈的熱核反應,在反應過程中向外釋放著巨大的能量,這些能量以光子形式放出．根據愛因斯坦質能關系： ΔE＝Δm·c2 , 知太陽質量在不斷減小．地球繞太陽旋轉是靠太陽對地球的萬有引力來提供向心力 G =mω2R, 現因M減小,即提供的向心力減小,不能滿足所需的向心力,地球將慢慢向外做離心運動,使軌道半徑變大,日地平均距離變大．由上式可知,左邊的引力G 減小,半徑R增大,引起地球公轉的角速度變化,從而使公轉周期變化 G =m R,T2= ,即 T增大． 一方面,因太陽質量變小,發光功率變小；另一方面,日地距離變大,引起輻射到地球表面的能量減小,導致地球表面溫度變低． [點評] 該題集原子物理與力學為一體,立意新穎,將這一周而復始的自然用所學知識一步一步說明,是一道考查能力、體現素質的好題． 四、變式遷移1、靜止在勻強磁場中的 U核,發生.衰變后生成Th核,衰變后的 粒子速度方向垂直于磁場方向,則以下結論中正確的是( ) ①衰變方程可表示為： U Th+ He ②衰變后的Th核和 粒子的軌跡是兩個內切圓,軌道半徑之比為1:45 ③Th核和 粒子的動能之比為2:17 ④若 粒子轉了117圈,則Th核轉了90圈 A．①③ B．②④ C①② D．③④2．下列核反應或核衰變方程中,符號“X”表示中子的是(A) (B) (C) (D) 五、能力訓練一、
15.5-3選擇題1、下列關于原子結構和原子核的說法正確的是（ ）A 盧瑟福在 粒子散射實驗的基礎上提出了原子的核式結構B 天然放射性元素在衰變過程中電荷數和質量數守恒,其放射線在磁場中不偏轉的是 射線C 據圖15.3-3可知,原子核A裂變變成原子核B和C要放出核能 D 據圖15.3-3可知,原子核D和E聚變成原子核F要吸收核能 2、當兩個中子和兩個質子結合成一個 粒子時,放出28.30MeV的能量,當三個 粒子結合成一個碳核時,放出7.26MeV的能量,則當6個中子和6個質子結合成一個碳核時,釋放的能量約為( ) A 21.04MeV B 35.56MeV C 77.64MeV D 92.16MeV3、下列說法正確的是 A、太陽輻射的能量主要來自太陽內部的裂變反應 B、盧瑟福的a粒子散射實驗可以估算原子核的大小 C、玻爾理論是依據a粒子散射實驗分析得出的 D、氫原子核外電子從半徑較小的軌道躍遷到半徑較大的軌道時,電子的動能減小,電勢能增大,總能量增大4．中微子失蹤之迷是一直困擾著科學家的問題.原來中微子在離子開太陽向地球運動的過程中,發生“中微子振蕩”,轉化為一個 子和一個 子.科學家通過對中微子觀察和理論分析,終于弄清了中微子失蹤的原因,成為“2001年世界十大科技突破”之一.若中微子在運動中只轉化為一個 子和一個 子,并已知 子的運動方向與中微子原來的方向一致,則 子的運動方向（ ）A 一定與中微子方向一致 B一定與中微子方向相反 C 可能與中微子方向不在同一直線上 D 只能中微子方向在同一直線上5.在一定條件下,讓質子獲得足夠大的速度,當兩個質子p以相等的速率對心正碰,將發生下列反應：P+P→P+P+P+ 其中 是P反質子(反質子與質子質量相等,均為mp,且帶一個單位負電荷),則以下關于該反應的說法正確的是 A．反應前后系統總動量皆為0B．反應過程系統能量守恒C．根據愛因斯坦質能方程可知,反應前每個質子的能量最小為2mpc2： D．根據愛因斯坦質能方程可知,反應后單個質子的能量可能小于mpc26．用 粒子轟擊鈹核( Be),生成一個碳核( C)和一個粒子,則該粒子 ( ) (A)帶正電,能在磁場中發生偏轉 （B)在任意方向的磁場中都不會發生偏轉 (C)電離本領特別強,是原子核的組成部分之一(D)用來轟擊鈾235可引起鈾榱的裂變 7.假設钚的同位素離子 Pu靜止在勻強磁場中,設離子沿與磁場垂直的方向放出 粒子后,變成鈾的一個同位素離子,同時放出能量為E=0.09Mev的光子.（1）試寫出這一核反應過程的方程式.（2）光子的波長為多少?（3）若不計光子的動量,則鈾核與 粒子在勻強磁場中的回旋半徑之比是多少?8.如下圖所示,一個有界的勻強磁場,磁感應強度B=0.50T,磁場方向垂直于紙面向里,MN是磁場的左邊界.在磁場中A處放一個放射源,內裝 （鐳）, 放出某種射線后衰變成Rn（氡）.試寫出： 衰變的方程,若A距磁場的左邊界MN的距離OA=1.0m,放在MN左側的粒子接收器接收到垂直于邊界MN方向射出的質量較小的粒子,此時接收器位置距經過OA的直線1.0m,由此可以推斷出一個靜止鐳核Ra衰變時放出的能量是多少?保留兩位有效數字（取1u=1.6×10-27kg,電子電量e=1.6×10-19c）
?
× × × ×× × × ×× × × ×× × × ×
A
O
N
M
9、自然界中的物體由于具有一定的溫度,會不斷地向外輻射電磁波,這種輻射因與溫度有關,稱為熱輻射.熱輻射具有如下特點：（1）輻射的能量中包含各種波長的電磁波；（2）物體溫度越高,單位時間內從物體表面單位面積上輻射的能量越大；（3）在輻射的總能量中,各種波長所占的百分比不同.處在一定溫度的物體在向外輻射電磁能量的同時,也要吸收由其他物體輻射的電磁能量,如果它處在平衡狀態,則能量保持不變.若不考慮物體表面性質對輻射與吸收的影響,我們定義一種理想的物體,它能100%地吸收入射到其表面的電磁輻射,這樣的物體稱為黑體.單位時間內從黑體表面單位面積輻射的電磁波的總能量與黑體絕對溫度的四次方成正比,即P0=σT4,其中常量σ=5 .67×10-8W/(m?K4)在下面的問題中,把研究對象都簡單地看作黑體.有關數據及數學公式：太陽半徑Rs = 696000Km,太陽表面溫度T = 5770K,火星半徑r = 3395Km.已知球面積S = 4πR2,其中R為球半徑.（1） 太陽熱輻射能量的絕大多數集中在波長為2×10-7～1×10-5m范圍內,求相應的頻率范圍.（2） 每小時從太陽表面輻射的總能量為多少?（3） 火星受到來自太陽的輻射可認為垂直到面積為πr2（r為火星半徑）的圓盤上.已知太陽到火星的距離約為太陽半徑的400倍,忽略其他天體及宇宙空間的輻射,試估算火星的平均溫度.10、核聚變能是一種具有經濟性能優越、安全可靠、無環境污染等優勢的新能源.近年來,受控核聚變的科學可行性已得到驗證,目前正在突破關鍵技術,最終將建成商用核聚變電站.一種常見的核聚變反應是由氫的同位素氘（又叫重氫）和氚（又叫超重氫）聚合成氦,并釋放一個中子了.若已知氘原子的質量為2.0141u,氚原子的質量為3.0160u,氦原子的質量為4.0026u,中子的質量為1.0087u,1u=1.66×10-27kg.⑴寫出氘和氚聚合的反應方程.⑵試計算這個核反應釋放出來的能量.⑶若建一座功率為3.0×105kW的核聚變電站,假設聚變所產生的能量有一半變成了電能,每年要消耗多少氘的質量?（一年按3.2×107s計算,光速c=3.00×108m/s,結果取二位有效數字） 參考答案 能力變遷 1 D 2 AC 能力訓練 1 ABC 2 D 3 BD 4 D 5 A 6 BCD7 8. 2.0×10-12j 9 、3×103~1.5×1015Hz、1.38×1030J,204K 10 ⑴略 ⑵2.8×10-12J ⑶23kg
